Тепловой двигатель

Рисунок 1: Схема теплового двигателя

Термодинамика
Классический тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистическая Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесие
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Закрытая система Изолированная система Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Фаза (материя) Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Термический КПД
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсивом Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / энтропия  ( введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / число частиц Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Сжимаемость  ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial p}$ Термическое расширение  ${\ Displaystyle \ альфа =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Онсагер взаимные отношения Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Возможности Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${\ Displaystyle U (S, V)}$ Энтальпия ${\ Displaystyle H (S, p) = U + pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${\ Displaystyle А (Т, В) = U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${\ Displaystyle G (T, p) = H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации " Экспериментальное исследование ... тепла " « О равновесии неоднородных веществ » « Размышления о движущей силе огня » Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Другой Зарождение Самостоятельная сборка Самоорганизация Порядок и беспорядок
Книга Категория
v т е

В термодинамики и инженерии , A тепловой двигатель представляет собой систему , которая преобразует тепло или тепловую энергию в механическую энергию , которая затем может быть использован , чтобы сделать механическую работу . ^{[1] [2]} Это достигается путем перевода рабочего вещества из более высокого состояния в более низкое состояние. Источник тепла генерирует тепловую энергию, которая переводит рабочее тело в высокотемпературное состояние. Рабочее тело производит работу в рабочем теле двигателя, передавая тепло в более холодный сток.пока не достигнет состояния низкой температуры. Во время этого процесса часть тепловой энергии преобразуется в работу за счет использования свойств рабочего вещества. Рабочим веществом может быть любая система с ненулевой теплоемкостью , но обычно это газ или жидкость. Во время этого процесса некоторое количество тепла обычно теряется в окружающую среду и не преобразуется в работу. Кроме того, некоторая энергия непригодна для использования из-за трения и сопротивления.

Как правило, двигатель преобразует энергию в механическую работу . Тепловые двигатели отличаются от двигателей других типов тем, что их эффективность фундаментально ограничена теоремой Карно . ^[3] Хотя это ограничение эффективности может быть недостатком, преимущество тепловых двигателей состоит в том, что большинство форм энергии можно легко преобразовать в тепло с помощью таких процессов, как экзотермические реакции (например, сгорание), ядерное деление , поглощение света или энергичных частиц, трение , рассеяние и сопротивление. Поскольку источник тепла, поставляющий тепловую энергию в двигатель, может приводиться в действие практически любым видом энергии, тепловые двигатели охватывают широкий спектр применений.

Тепловые двигатели часто путают с циклами, которые они пытаются реализовать. Обычно термин «двигатель» используется для обозначения физического устройства, а термин «цикл» - для моделей.

Обзор [ править ]

В термодинамике тепловые двигатели часто моделируются с использованием стандартной инженерной модели, такой как цикл Отто . Теоретическая модель может быть уточнена и дополнена фактическими данными от работающего двигателя с использованием таких инструментов, как индикаторная диаграмма . Поскольку очень мало реальных реализаций тепловых двигателей в точности соответствуют своим термодинамическим циклам, можно сказать, что термодинамический цикл является идеальным случаем механического двигателя. В любом случае, полное понимание двигателя и его эффективности требует хорошего понимания (возможно, упрощенной или идеализированной) теоретической модели, практических нюансов реального механического двигателя и расхождений между ними.

В общем, чем больше разница в температуре между горячим источником и холодным стоком, тем больше потенциальный тепловой КПД цикла. На Земле холодная сторона любого теплового двигателя ограничивается температурой, близкой к температуре окружающей среды или не намного ниже 300 Кельвинов , поэтому большинство усилий по повышению термодинамической эффективности различных тепловых двигателей сосредоточено на повышении температуры окружающей среды. источник, в пределах материала. Максимальный теоретический КПД теплового двигателя (которого никогда не достигает ни один двигатель) равен разнице температур между горячим и холодным концом, деленной на температуру на горячем конце, каждая из которых выражается в абсолютной температуре ( Кельвина ).

Эффективность различных предлагаемых или используемых сегодня тепловых двигателей имеет большой диапазон:

• 3% ^[4] (97% отработанного тепла с использованием тепла низкого качества) для преобразования тепловой энергии океана (OTEC) предложение энергии океана
• 25% для большинства автомобильных бензиновых двигателей ^[5]
• 49% для сверхкритической угольной электростанции, такой как электростанция Аведёре
• 60% для газовой турбины комбинированного цикла с паровым охлаждением ^[6]

Эффективность этих процессов примерно пропорциональна перепаду температуры на них. Значительное количество энергии может потребляться вспомогательным оборудованием, например насосами, что значительно снижает эффективность.

Примеры [ править ]

Важно отметить, что, хотя некоторые циклы имеют типичное место горения (внутреннее или внешнее), они часто могут быть реализованы с другим. Например, Джон Эрикссон ^[7] разработал двигатель с внешним подогревом, работающий по циклу, очень похожему на предыдущий дизельный цикл . Кроме того, двигатели с внешним подогревом часто могут быть реализованы с открытым или закрытым циклом.

Примеры на каждый день [ править ]

Повседневные примеры тепловых двигателей включают тепловую электростанцию , двигатель внутреннего сгорания и огнестрельное оружие . Все эти тепловые двигатели работают за счет расширения нагретых газов.

Тепловой двигатель Земли [ править ]

Атмосфера Земли и гидросфера - тепловая машина Земли - представляют собой связанные процессы, которые постоянно выравнивают дисбаланс солнечного нагрева за счет испарения поверхностных вод, конвекции, осадков, ветров и циркуляции океана при распределении тепла по всему земному шару. ^[8]

Хедли клетка является примером теплового двигателя. Он включает в себя подъем теплого и влажного воздуха в экваториальной области Земли и опускание более холодного воздуха в субтропиках, создавая тепловую прямую циркуляцию с последующим чистым производством кинетической энергии. ^[9]

Циклы смены фаз [ править ]

В этих циклах и двигателях рабочими жидкостями являются газы и жидкости. Двигатель преобразует рабочую жидкость из газа в жидкость, из жидкости в газ или и то, и другое, создавая работу за счет расширения или сжатия жидкости.

• Цикл Ренкина (классический паровой двигатель )
• Регенеративный цикл ( паровой двигатель более эффективен, чем цикл Ренкина )
• Органический цикл Ренкина (фаза смены охлаждающей жидкости в диапазоне температур льда и горячей жидкой воды)
• Цикл от пара к жидкости ( поилка , инжектор , колесо Minto )
• Цикл от жидкости к твердому телу ( Морозное пучение - вода, переходящая от льда к жидкости и обратно, может поднять горную породу на высоту до 60 см)
• Цикл от твердого вещества к газу ( огнестрельное оружие - твердое топливо сгорает до горячих газов).

Циклы только на газе [ править ]

В этих циклах и двигателях рабочей жидкостью всегда является газ (т.е. фазового перехода нет):

• Цикл Карно ( тепловой двигатель Карно )
• Цикл Эрикссона (Caloric Ship John Ericsson)
• Цикл Стирлинга ( двигатель Стирлинга , ^[10] термоакустические устройства)
• Двигатель внутреннего сгорания (ДВС):
  • Цикл Отто (например, бензиновый / бензиновый двигатель )
  • Дизельный цикл (например, дизельный двигатель )
  • Цикл Аткинсона (двигатель Аткинсона)
  • Цикл Брайтона или цикл Джоуля первоначально цикл Эрикссона ( газовая турбина )
  • Цикл Ленуара (например, импульсный реактивный двигатель )
  • Цикл Миллера (двигатель Миллера)

Циклы только для жидкости [ править ]

В этих циклах и двигателях рабочая жидкость всегда похожа на жидкость:

• Цикл Стирлинга ( двигатель Мэлоуна )
• Циклон регенерации тепла ^[11]

Электронные циклы [ править ]

• Преобразователь термоэлектрической энергии Джонсона
• Термоэлектрический ( эффект Пельтье – Зеебека )
• Термогальваническая ячейка
• Термоэлектронная эмиссия
• Термотоннельное охлаждение

Магнитные циклы [ править ]

• Термомагнитный двигатель (Тесла)

Циклы, используемые для охлаждения [ править ]

Домашний холодильник - это пример теплового насоса : тепловая машина наоборот. Работа используется для создания дифференциала тепла. Многие циклы могут выполняться в обратном порядке, чтобы переместить тепло с холодной стороны на горячую, делая холодную сторону более холодной, а горячую - более горячей. Варианты этих циклов для двигателей внутреннего сгорания по своей природе необратимы.

Циклы охлаждения включают:

• Машина воздушного цикла
• Газоабсорбционный холодильник
• Магнитное охлаждение
• Криоохладитель Стирлинга
• Парокомпрессионное охлаждение
• Цикл Vuilleumier

Испарительные тепловые двигатели [ править ]

Испарительный двигатель Бартона - это тепловой двигатель, основанный на цикле выработки энергии и охлаждения влажного воздуха в результате испарения воды в горячий сухой воздух.

Мезоскопические тепловые двигатели [ править ]

Мезоскопические тепловые двигатели - это устройства нанометрового размера, которые могут служить для обработки тепловых потоков и выполнять полезную работу в небольших масштабах. Возможные области применения включают, например, электрические охлаждающие устройства. В таких мезоскопических тепловых двигателях продолжительность рабочего цикла колеблется из-за теплового шума. Существует точное равенство, которое связывает среднее значение показателей работы, выполняемой любым тепловым двигателем, и теплопередачи от более горячей тепловой ванны. ^[12] Это соотношение переводит неравенство Карно в точное равенство. Это отношение также является равенством цикла Карно

Эффективность [ править ]

Эффективность теплового двигателя определяет, сколько полезной работы вырабатывается при заданном количестве подводимой тепловой энергии.

Из законов термодинамики после завершения цикла:

${\ Displaystyle W \ = \ Q_ {c} \ - \ (-Q_ {h})}$

где

${\ Displaystyle W = - \ oint PdV}$это работа, извлеченная из двигателя. (Это отрицательно, так как работа выполняется двигателем.)

${\ displaystyle Q_ {h} = T_ {h} \ Delta S_ {h}}$- тепловая энергия, забираемая из высокотемпературной системы. (Это отрицательно, так как тепло извлекается из источника, следовательно , положительно.)${\ displaystyle (-Q_ {h})}$

${\ Displaystyle Q_ {c} = T_ {c} \ Delta S_ {c}}$- тепловая энергия, передаваемая в холодную температурную систему. (Это положительно, поскольку в раковину добавляется тепло.)

Другими словами, тепловая машина поглощает тепловую энергию от высокотемпературного источника тепла, преобразовывая часть ее в полезную работу и доставляя остальную часть к холодному радиатору.

В общем, эффективность данного процесса теплопередачи (будь то холодильник, тепловой насос или двигатель) неформально определяется отношением «то, что вынимается», к «тому, что помещается».

В случае с двигателем требуется извлечение работы и передача тепла.

${\displaystyle \eta ={\frac {-W}{-Q_{h}}}={\frac {-Q_{h}-Q_{c}}{-Q_{h}}}=1-{\frac {Q_{c}}{-Q_{h}}}}$

Теоретическая максимальная эффективность любого теплового двигателя зависит только от температуры она действует между ними. Эта эффективность обычно достигается с использованием идеального воображаемого теплового двигателя, такого как тепловой двигатель Карно , хотя другие двигатели, использующие другие циклы, также могут достичь максимальной эффективности. Математически это происходит потому, что в обратимых процессах изменение энтропии холодного резервуара является отрицательным по сравнению с изменением энтропии горячего резервуара (т. Е. ), Сохраняя общее изменение энтропии равным нулю. Таким образом:${\displaystyle \Delta S_{c}=-\Delta S_{h}}$

${\displaystyle \eta _{\text{max}}=1-{\frac {T_{c}\Delta S_{c}}{-T_{h}\Delta S_{h}}}=1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}}}$

где - абсолютная температура горячего источника и холодного стока, обычно измеряемая в градусах Кельвина . Обратите внимание, что это положительно, а отрицательно; в любом обратимом процессе извлечения работы энтропия в целом не увеличивается, а скорее перемещается из горячей (высокоэнтропийной) системы в холодную (низкоэнтропийную), уменьшая энтропию источника тепла и увеличивая энтропию тепла. раковина.${\displaystyle T_{h}}$${\displaystyle T_{c}}$${\displaystyle dS_{c}}$${\displaystyle dS_{h}}$

Причина максимальной эффективности заключается в следующем. Сначала предполагается, что если возможен более эффективный тепловой двигатель, чем двигатель Карно, то он может работать в обратном направлении как тепловой насос. Математический анализ может быть использован, чтобы показать, что эта предполагаемая комбинация приведет к чистому снижению энтропии . Поскольку, согласно второму закону термодинамики , это статистически невероятно до исключения, КПД Карно является теоретической верхней границей надежной эффективности любого термодинамического цикла.

Эмпирическим путем ни один тепловой двигатель никогда не работал с большей эффективностью, чем тепловой двигатель с циклом Карно.

На рисунках 2 и 3 показаны вариации КПД цикла Карно. На рис. 2 показано, как изменяется КПД с увеличением температуры подводимого тепла при постоянной температуре на входе в компрессор. На рисунке 3 показано, как изменяется КПД с увеличением температуры отвода тепла при постоянной температуре на входе в турбину.

Эндо-обратимые тепловые двигатели [ править ]

По своей природе любой максимально эффективный цикл Карно должен работать при бесконечно малом градиенте температуры; это связано с тем, что любая передача тепла между двумя телами с разными температурами необратима, поэтому выражение эффективности Карно применимо только к бесконечно малому пределу. Основная проблема заключается в том, что целью большинства тепловых двигателей является выходная мощность, а бесконечно малая мощность требуется редко.

Другой мерой эффективности идеального теплового двигателя определяется соображениями endoreversible термодинамики , где цикл идентичен циклу Карно , за исключением того, что оба процесса переноса тепла являются не обратимыми (Каллен 1985):

${\displaystyle \eta =1-{\sqrt {\frac {T_{c}}{T_{h}}}}}$(Примечание: единицы K или ° R )

Эта модель лучше предсказывает, насколько хорошо могут работать реальные тепловые двигатели (Callen 1985, см. Также необратимую термодинамику ):

КПД электростанций ^[13]

Электростанция	${\displaystyle T_{c}}$ (° C)	${\displaystyle T_{h}}$ (° C)	${\displaystyle \eta }$ (Карно)	${\displaystyle \eta }$ (Необратимый)	${\displaystyle \eta }$ (Наблюдаемый)
Уэст-Террок (Великобритания) угольная электростанция	25	565	0,64	0,40	0,36
CANDU (Канада) атомная электростанция	25	300	0,48	0,28	0,30
Геотермальная электростанция Лардерелло (Италия)	80	250	0,33	0,178	0,16

Как показано, эндо-обратимая эффективность гораздо более точно моделирует наблюдаемую.

История [ править ]

Тепловые двигатели были известны с древних времен, но их превратили в полезные устройства только во время промышленной революции 18 века. Они продолжают развиваться и сегодня.

Улучшения [ править ]

Инженеры изучили различные циклы тепловых двигателей, чтобы увеличить объем полезной работы, которую они могут извлечь из данного источника энергии. Предел цикла Карно не может быть достигнут ни с одним газовым циклом, но инженеры нашли как минимум два способа обойти это ограничение и один способ повысить эффективность без нарушения каких-либо правил:

1. Увеличьте разницу температур в тепловом двигателе. Самый простой способ сделать это - повысить температуру горячей стороны, что используется в современных газовых турбинах с комбинированным циклом . К сожалению, физические ограничения (например, температура плавления материалов, из которых изготовлен двигатель) и экологические проблемы, связанные с производством NO x, ограничивают максимальную температуру работоспособных тепловых двигателей. Современные газовые турбины работают при максимально высоких температурах в диапазоне температур, необходимых для поддержания приемлемого выхода NO _x ^{[ необходима цитата ]}. Другой способ повышения эффективности - снижение выходной температуры. Один из новых методов - использовать смешанные химические рабочие жидкости, а затем использовать изменяющееся поведение смесей. Одним из самых известных является так называемый цикл Калины , в котором в качестве рабочей жидкости используется смесь аммиака и воды в соотношении 70/30 . Эта смесь позволяет циклу генерировать полезную мощность при значительно более низких температурах, чем в большинстве других процессов.
2. Используйте физические свойства рабочей жидкости. Наиболее распространенная такая эксплуатация - это использование воды выше критической точки или сверхкритического пара. Поведение жидкостей выше их критической точки радикально меняется, и с такими материалами, как вода и углекислый газ, можно использовать эти изменения в поведении для получения большей термодинамической эффективности от теплового двигателя, даже если он использует довольно обычные модели Брайтона или Ренкина. цикл. Более новым и очень многообещающим материалом для таких применений является CO 2 . SO 2 и ксенон также рассматривались для таких применений, хотя SO ₂ токсичен.
3. Используйте химические свойства рабочей жидкости. Довольно новый и новый прием - использование экзотических рабочих жидкостей с выгодными химическими свойствами. Одним из них является диоксид азота (NO ₂ ), токсичный компонент смога, который имеет природный димер в виде тетраоксида азота (N ₂ O ₄ ). При низкой температуре N ₂ O ₄ сжимается, а затем нагревается. Повышение температуры заставляет каждый N ₂ O ₄ распадаться на две молекулы NO ₂ . Это снижает молекулярную массу рабочего тела, что резко увеличивает эффективность цикла. Однажды NO ₂расширился через турбину, он охлаждается радиатором , что заставляет его рекомбинировать в N ₂ O ₄ . Затем он возвращается компрессором для другого цикла. Такие частицы, как бромид алюминия (Al ₂ Br ₆ ), NOCl и Ga ₂ I ₆ , были исследованы на предмет такого использования. На сегодняшний день их недостатки не оправдывают их использования, несмотря на возможное повышение эффективности. ^[14]

Процессы теплового двигателя [ править ]

Каждый процесс является одним из следующих:

• изотермический (при постоянной температуре, поддерживаемой с добавлением или отводом тепла от источника тепла или поглотителя)
• изобарический (при постоянном давлении)
• изометрический / изохорный (при постоянном объеме), также называемый изо-объемным
• адиабатический (во время адиабатического процесса тепло не добавляется и не удаляется из системы)
• изэнтропический (обратимый адиабатический процесс, во время изэнтропического процесса тепло не добавляется и не удаляется)

См. Также [ править ]

• Холодильник Эйнштейна
• Тепловой носос
• Поршневой двигатель для общего описания механики поршневых двигателей.
• Термосинтез
• Хронология развития технологий тепловых двигателей

Ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме тепловых двигателей .

• Кремер, Герберт; Киттель, Чарльз (1980). Теплофизика (2-е изд.). Компания WH Freeman. ISBN 0-7167-1088-9.
• Каллен, Герберт Б. (1985). Термодинамика и введение в термостатистику (2-е изд.). ISBN компании John Wiley & Sons, Inc.  0-471-86256-8.